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메타형 아라미드 섬유의 반도체 레이저 염색
(SEN'I GAKKAISHI Vol.65, No.2(2009)
静岡県공업기술연구소 浜松공업기술센터 三浦 淸 외 3인
1. 서언
메타형 아라미드섬유는 내열성, 방염성, 난연성, 내약품성 등이 우수하기 때문에 소방복 등의 방호복과 집진필터 등의 산업자재에 널리 이용되고 있으나 치밀한 분자구조와 높은 결정성으로 염료 침투가 어려워 염색이 곤란하다. 최근에는 초임계 이산화탄소 유체를 이용한 염색법이 개발되어 섬유 물성을 손상하지 않고 소 로트 염색에 대응할 수 있어 환경부하가 적은 특징을 갖는 방법으로 주목받고 있다.
메타형 아라미드 섬유의 특징을 살린 방호복 등의 용도에 상응하는 염료로는 내광성 등이 우수한 건염염료 수준의 견뢰도를 갖는 염료이용이 요망되나, 건염염료를 건열 고착법 등으로 연속 염색된 예는 이금까지 보고된바 없다. 흥미 있는 시도로는, 폴리에스터 섬유에 건염염료를 피그먼트 상태로 부여해 210~220℃의 건열 고착법으로 중색정도로 염색할 수 있다는 것이 보고된바 있으나, 현재로서는 염착농도가 낮아 공업적으로 실용화에는 이르지 못하고 있다.
저자 등은 섬유제품의 차별화와 고부가가치화를 위해 최근 급속히 진전된 소형․고 출력의 반도체 레이저를 이용한 새로운 염색가공기술 개발에 매진하고 있다. 지금까지의 연구에서 메티형 아라미드 섬유에 염료를 포함하는 색호로 날염한 후 반도체 레이저광을 조사하는 염색방법을 검토, 건염염료 및 분산염료 등에 대해 섬유 내부에의 확산을 확인하고 넓은 범위를 처리할 수 있는 반도체 레이저 염색장치를 새로 제작하였다.
이번 연구에서는 염색견본으로부터 많은 건염염료 및 분산염료에 대해 반사투과법에 의한 레이저 파장대의 광 흡수율을 측정, 레이저 염색에 적당한 염료를 검토한 결과 많은 건염염료는가 근적외선 영역에서 광 흡수성이 있다는 것을 알았다. 건염염료는 적외선 흡수제를 병용하기 때문에 분산염료보다 염색 가능한 염료가 많다는 것, 또 건염염료로는 레이저 광 조사 시와 동일 온도에서 가열방법을 전기로로 교체해 염색을 행한 결과 레이저 법과 마찬가지로 섬유 내부에의 확산을 확인할 수 있었다. 레이저법에서는 분산염료에 의한 폴리에스터의 thermosol 염색과 동일한 기구의 건염염료에 의한 아라미드 섬유의 염색임을 검토한 결과를 보고한다.
2. 실험방법
2.1 반도체 레이저 장치
그림 1에 이번에 제작한 시험장치 구성을 나타내었다. Stage에 레이저 헤드를 고정하고, 레이저는 아래로 향해 피염물에 조사된다. 피염물은 레이저 고사에 의해 증산하는 염료의 포집과 흡인에 의한 피염물의 고정을 겸한 집진기상에 설치하고, 반도체 레이저 광원은, 240W stack형 레이저(Jenoptik Laser Diode : JOLG240-CAFN- 6A808)를 사용하였다. 이 stack형 레이저 소자는 발광부분이 10mm×8.75mm인, 염색가공과 같은 대 면적 조사에 이용이 쉽다. 레이저 장치는 냉각 chiller(오리온사의 RSK-400SV-M), 전원으로 구동한다.
집광용 렌즈와 work distance를 조정해 피염물에 조사하는 레이저 폭을 조정한다. Y 자동 stage 이동속도를 제어해 시간당 피염물에의 레이저 광 조사량을 제어하였다.
2.2 측정장치
조사실험에는 자기분광광도계(UV3150, φ150mm 대 면적 분구부속장치, (주)島津제작소)를 사용하였다. 그림 2에 측정방법을 나타내었다. 염색한 피염물의 반사율 및 투과율을 각기 측정, 하기의 식으로 광 흡수율을 산출하였다. 측정파장은 1200mm~400mm까지로 하였다.
흡수율(%)=100(%)-[반사율(%)+반사손실(%)]-[투과율(%)+과손실(%)] (1)
여기서, 반사광의 계면 반사손실 및 투과손실을 각각 8%로 해서 계산하였다.
2.3 염료의 흡진율 측정
건염염료에 대해서는 30견본(住友화학공업(주)-pad-steam법, 섬유소재 : 면)과 분산염료는 47견본(日本화약(주)-고온염색법, 섬유소재 : 폴리에스터)의 광 흡수특성을 측정하였다.
2.4 피염물
메타형 아라미드 직물에는 100% NOMEX R(200g/㎡, warp 82본/inch, weft 60본/inch, warp 305, weft 30S)의 모소, 호발을 행한 직물을 이용하여UT다. 미네탈타펜 400g/kg, 유화제 40g/kg, water 560g/kg으로 된 호를 원호로 하였다. 호 97%에 염료 3%를 혼합한 호를 날염하고 120℃에서 5분간 건조하였다. 여기서 흡수제를 사용한 비교 샘플은 적외선 흡수제(IR820B : 日本화학(주))를 1000ppm 농도로 분산한 후 호제로 사용하였다.
건조 후 반도체 레이저(파장 808nm)에서 스캔스피드 12mm/sec 조건으로 조사하였다. 수세와 소우핑으로 미고착 염료를 제거하였다.
2.5 레이저법에 의한 염색온도 측정
반도체 레이저 조사 시의 아라미드 섬유의 온도변화를 조사하기 위해 그림 3에서와 같이 염료 C.I.Vat Green 1을 날염한 아라미드 섬유 중에 선경 13㎛의 극세 열전선(K-Type CHAL005 모메가 사)을 연결해 반도체 레이저 장치 상에 배치하였다. 레이저를 가동시켜 아라미드 섬유의 최고 온도를 측정하였다.
2.6 전기로 시험방법
아라미드 섬유를 설치온도로 유지한 muffle로(야마토 과학(주))에 넣어 10초가 경과 후 즉시 꺼냈다. 실험온도는 280~470℃까지 10℃간격으로 행하였다. 후처리는 환원세정과 소우핑을 행하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 염색물의 광 흡수성
그림 4, 5에 건염염료와 분산염료 측정결과를 나타내었다. 백포의 경우 아무런 흡수가 없었다. 건염염료는 적외선 영역에 흡수커브가 나타났다. 한편 분산염료는 가시광 영역으로부터 적외선이 되면 급속하게 흡수가 사라진다. 메타형 아라미드 염색에 사용한 고출력 반도체 레이저의 파장 808nm에 있어서, 염색성이 좋은 C.I.Vat Green 1의 흡수크기는 60% 이상이었다. 한편 분산염료에서는 대부분 염료에 있어서의 영역흡수는 없고, 예외적으로 일부 Blue계의 것에서 수% 흡수정도만 나타내었다. 지금까지의 실험에서 적외선 흡수제를 병용해도 분산염료의 경우는 염색을 행하기 위해 배 가까이 광조사 출력이 필요했던 결과에 대응하고 있다.
 
3.2 흡수성이 있는 건염염료 레이저에 의한 염색
적외선 영역에 광흡수성이 있는 건염염료는 적외선 흡수제의 병용 없이 대부분의 염료가 레이저 조사에서 발색이 확인되었다. 특히 염색성이 우수한 염료는 C.I.Vat Green 1이었다.
3.3 흡수제를 병용하지 않은 경우의 레이저 조사에 의한 염색성 비교
근적외 영역에 광흡수성이 있고, 특히 염색성이 우수한 C.I.Vat Green 1와 C.I.Vat Brown 68에 대해 레이저 조사에 의한 비교를 행하였다. 반도체 레이저(808nm)를 스캔스피드 12mm/초의 조건으로 조사하고 후처리로 소우핑을 행하였다. 레이저는 20, 25, 30, 33, 34, 38W로, 폭을 10m로 조사하였다. 광흡수제(1000ppm)를 포함한 것과 비교하였으나, C.I.Vat Green 1은 적외선 흡수가 크기 때문에 두 가지 모두 그다지 변화가 없었다(그림 6).
갈색염료인 C.I.Vat Brown 68은 적외선 영역의 흡수가 적기 때문에 흡수제가 있는 경우 양호한 발색을 나타냈다(그림 7).
3.4 레이저 법에 의한 염색온도의 측정결과
열전대에서 레이저 조사 시(C.I.Vat Green 1)의 피염물 온도를 직접 측정한 결과 온도 350~400℃, 유지시간 0.3초 정도, 450℃를 넘으면 그슬리는 경향이 있었다.
3.5 전기로 시험방법의 결과
오도조건은 280~470℃까지 10℃ 간격으로 행한 주 온도에서의 결과(C.I.Vat Green 1)는 그림 8과 같다. 280℃에서는 아직 발색은 없었다. 340℃에서는 발색하고 있고 400℃에서 충분한 발색이 이루어졌다. 470℃에서는 피염물이 산화되어 흑색으로 변했다. 그림 9는 섬유 단면을 나타낸 것이다. 일부 흑색화 되어 있는 것이 보이고 있는 것이 아라미드 섬유 내부까지 확산 염색되어 있는 것을 확인할 수 있다. 그 외 건염염료 C.I.Vat Green 1, C.I.Vat Blue 14, C.I.Vat Blue 20, C.I.Vat Violet 1, C.I.Vat Violet 9, C.I.Vat Red 13도 가열시험을 행한 결고 모두 전기로에 투입한 건염료는 농색으로 발색하였다. 그러나 Blue계는 열분해되기 때문인지 본래의 색보다 약간 다른 색으로 변한 것도 있었다. 전기로법은 피염물의 황변과 경화가 두드러졌으나, 레이저법과 마찬가지로 농색화를 확인할 수 있어 건열고착염색을 행할 수 있다는 것을 알았다.
4. 결론
섬유의 차별화, 고부가가치화를 목적으로 반도체 레이저를 이용한 레이저 염색장치를 시작하고 피그먼트 상태의 건염염료를 이용한 메타형 아라미드 섬유의 날염에 대해 검토하였다. 그 결과 염색성에 관해 다음과 같은 결론을 얻었다.
① 건염염료 자체가 근적외 영역까지 흡수하는 것이 많기 때문에 레이저 염색에 적당하다는 생각이 든다.
② 레이저 조사에서도 전기로 건열고착법과 동일한 조건에서 염색되는 것을 확인할 수 있었다.
③ 가시영역에서부터 근적외 영역의 피염물의 광 흡수특성을 측정한 결과 건염염료는 근적외 영역까지 흡수하는 것이 많아 반도체 레이저 염색에 적당한 것으로 생각된다.
이 때문에 일부 건염염료에서는 적외선 흡수제 없이 염색이 가능하나, 병용할 경우 한층 열 발생효과가 높을 것으로 생각된다. 한편 분산염료의 경우는 광 흡수가 없다는 것과 적외선 흡수제를 병용해도 승화성이 크기 때문에 레이저 염색가공은 미묘한 조건설정이 필요하다고 생각된다. 또 전기로 시험결과로부터 건염염료의 경우는, 메타형 아라미드 섬유의 열분해 온도 가까이 까지 순간적으로 가열되는 건열고착기구(승화 확산)로 염색되는 것으로 생각된다. 이 연구에서 건염염료가 반도체 레이저 염색에 적합하다는 것을 알았기 때문에 향후 아라미드 섬유에 레이저 염색이 가능한 많은 건염염료를 탐색해 칼라의 다양화를 꾀하는 것도 중요하다 하겠다.
참고문헌
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